Schall

Grundbegriff und Bedeutung

Schall bezeichnet allgemein mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium, also in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper. Die Schwingungen verursachen Druck- und Dichteschwankungen, die sich im Medium ausbreiten und Schallwellen bilden. Umgangssprachlich meint Schall vor allem Geräusche, Klänge, Töne und Knalle, die Menschen oder Tiere mit dem Ohr-Gehirn-System wahrnehmen.

Man unterscheidet Nutzschall, etwa Musik oder die Stimme in einem Gespräch, von Störschall, etwa Baustellen- oder Verkehrslärm. „Schall“ ist ein Kollektivum und wird nur im Singular verwendet. Die zugehörige Wissenschaft heißt Akustik.

Physikalische Definition und Ausbreitung

Physikalisch ist Schall eine mechanische Welle, also eine sich in einem Medium fortpflanzende Deformation. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle. Dabei schwingen die Teilchen hauptsächlich in Ausbreitungsrichtung der Welle. In Festkörpern können zusätzlich Transversalwellen und geführte Wellen auftreten.

Für dreidimensionale Schallfelder in fluiden Medien gilt die Wellengleichung:

Δp = (1/c²) · ∂²p/∂t²

Dabei ist Δ der Laplace-Operator, p der Schalldruck und c die Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Medium und dessen Zustand, unter anderem von Temperatur und Druck, ab. Bei 20 °C beträgt sie in Luft 343 m/s und in Wasser 1484 m/s. Wellenlänge λ, Frequenz f und Schallgeschwindigkeit c sind durch folgende Beziehung verbunden:

λ = c/f

In Luft kann Schall als Schalldruckwelle beschrieben werden, die dem statischen Luftdruck überlagert ist. Bei Schallwellen sind die Schwankungen von Druck und Dichte meistens klein gegenüber den jeweiligen Ruhegrößen. Bei 130 dB, ungefähr der Schmerzschwelle des Menschen, beträgt der Effektivwert des Schalldrucks p 63 Pa. Der normale atmosphärische Ruhedruck beträgt dagegen 101325 Pa beziehungsweise 1013,25 Hektopascal.

Im Vakuum gibt es keinen Schall, weil Schall im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen ein Trägermedium benötigt. Auch im Weltraum kann sich Schall ausbreiten, die übertragene Energie ist wegen der geringen Dichte jedoch sehr klein; die Schallgeschwindigkeit liegt dort im zweistelligen km/s-Bereich. Astronomische Überschallereignisse werden als Bugstoßwellen beobachtet.

Akustische Größen und Messung

Beim Schall wandeln sich Kompressionsenergie und Bewegungsenergie ineinander um. Beschrieben wird Schall durch Schallfeldgrößen. Besonders wichtig sind:

• Der Schalldruck p wird in N/m² beziehungsweise Pascal (Pa) angegeben. Er ist eine skalare Größe und lässt sich mit Mikrofonen vergleichsweise leicht messen.
• Die Schallschnelle v wird in m/s angegeben. Sie beschreibt die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung der Fluidelemente, etwa der Luftteilchen. Sie ist eine Vektorgröße und schwieriger zu bestimmen. Der Begriff „Schallschnelle“ grenzt sie von der Schallgeschwindigkeit c ab.

Bei einem Schalldruckpegel von 0 dB, der Hörschwelle, beträgt der Effektivwert des Schalldrucks 2e−5 Pa. Bei 130 dB, der Schmerzschwelle, beträgt die Schallschnelle in Luft 0,153 m/s. Selbst dann ist sie im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit klein. An der menschlichen Hörschwelle beträgt der Effektivwert der Schallschnelle 5e−8 m/s; das entspricht einem Schallschnellepegel von 0 dB. Die Luftteilchen werden dabei nur sehr gering ausgelenkt.

Als weitere Schallgrößen werden Schallauslenkung ξ, Schalldruckpegel Lp, Schallenergiedichte E, Schallenergie W, Schallfluss q, Schallgeschwindigkeit cS, Schallimpedanz Z, Schallintensität I, Schallleistung Pak, Schallschnelleamplitude v und Schallstrahlungsdruck genannt.

Einteilung nach Frequenz

Je nach Frequenzbereich werden folgende Schallarten unterschieden:

• Infraschall liegt unter 16 Hz und ist für Menschen wegen der zu niedrigen Frequenz nicht hörbar.
• Hörschall reicht von 16 Hz bis 20 kHz und ist für Menschen hörbar.
• Ultraschall reicht von 20 kHz bis 1,6 GHz und ist für Menschen wegen der zu hohen Frequenz nicht hörbar.
• Hyperschall liegt über 1 GHz. Die entsprechenden Schallwellen sind nur noch bedingt ausbreitungsfähig.

Die Hörschwelle, die Empfindung einer bestimmten Lautstärke und die Schmerzgrenze verlaufen im Bereich von 16 bis 20.000 Hz entlang einer Schar von Hörkurven. Bei den niedrigsten und höchsten Frequenzen konvergieren diese Kurven tendenziell. Das Hörvermögen für hohe Töne kann mit zunehmendem Alter sowie durch laute Musik, Lärm oder Knalleinwirkung teilweise irreversibel abnehmen.

Hunde und Fledermäuse können Töne über 20 kHz hören. Infraschall kann der Mensch unter Umständen mit Bauchdecke, Fingerspitzen oder Füßen haptisch wahrnehmen; an Festkörpern können Vibrationen teilweise mit dem Auge gesehen werden. Die Berührung eines Piezo-Ultraschallgebers zum Vernebeln von Wasser kann eine Hitzeempfindung erzeugen. Ultraschall wird unter anderem zum dauerhaften Verschweißen von Plastikgehäusen von Netzteilen eingesetzt.

Wellenformen und typische Verläufe

Nach der Wellenform unterscheidet man grob zwischen periodischen und nichtperiodischen Schallformen:

• Ein Ton ist eine reine sinusförmige Schwingung.
• Ein Klang ist eine Mischung mehrerer Töne, zum Beispiel eines Grundtons und von Obertönen.
• Ein Geräusch ist nichtperiodisch.
• Ein Knall ist ebenfalls nichtperiodisch und besitzt einen ausgeprägten Peak; danach nimmt die Amplitude schnell wieder ab.

Schematische zeitliche Verläufe des Schalldrucks zeigen verschiedene Beispiele. Die erste Wellenform stellt einen Gewehrschuss dar. Die zweite zeigt eine Sinusschwingung mit sinkender Periodendauer, also steigender Frequenz. Die dritte Wellenform entspricht dem gesprochenen Wort „Wikipedia“. Diese Beispiele machen sichtbar, dass sich Schall nicht nur durch seine Lautstärke, sondern auch durch zeitlichen Verlauf, Periodizität und Frequenz unterscheidet.